利用微生物發(fā)酵紅薯渣的研究進(jìn)展

■徐春城 左颯颯 牛東澤 鄭明利 江 迪

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院生物質(zhì)資源飼料調(diào)制與利用研究室，北京100083）

紅薯(Solanum tuberosum)是世界上主要的糧食作物之一，它起源于熱帶美洲，主要分布于熱帶、亞熱帶地區(qū)[1]。據(jù)世界糧農(nóng)組織報道[2]，2012年世界紅薯產(chǎn)量達(dá)到1.03×108t，如表1所示，其中80%產(chǎn)自亞洲，16%產(chǎn)自非洲，中國是世界上最大的紅薯生產(chǎn)國。在我國，紅薯大部分用于鮮食及用作畜禽的飼料。近年來，一些地區(qū)為充分利用本地資源優(yōu)勢，興建了紅薯淀粉加工廠以及紅薯飲料廠，使價格低廉的紅薯轉(zhuǎn)變成具有較高經(jīng)濟(jì)價值的淀粉和功能性飲料。然而在生產(chǎn)和加工過程中會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品——紅薯渣，由于紅薯渣含有多種抗?fàn)I養(yǎng)因子，直接飼喂動物易造成腹瀉，且新鮮紅薯渣含水量高，不便于儲存和運(yùn)輸，這些紅薯渣大部分被露天堆積或野外傾倒，腐敗變質(zhì)產(chǎn)生惡臭，從而造成環(huán)境污染及資源浪費(fèi)。為解決這一難題，有些地方消耗大量的熱能將紅薯渣蒸煮或烘干后作為動物飼料[3]，也有些地方則利用紅薯渣提取果膠[4]、制備膳食纖維[5]、生產(chǎn)纖維素制品[6]等。但這些利用方式都面臨著成本高、效率低、產(chǎn)生廢渣、污染環(huán)境、難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等問題。

表1 2012年紅薯產(chǎn)量及其使用情況[2](kt)

在過去的幾十年里，世界正日益重視自然資源的有效利用，越來越多的研究者通過發(fā)酵技術(shù)將農(nóng)、工業(yè)副產(chǎn)品等生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化成各種生物制品[7]。通過微生物發(fā)酵農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品生產(chǎn)生物制品不僅能夠增加經(jīng)濟(jì)效益而且能夠有效降低環(huán)境污染。紅薯和紅薯渣由于來源廣泛而且富含水分、淀粉、纖維素等物質(zhì)，從而可以作為許多微生物產(chǎn)品的發(fā)酵基質(zhì)，如發(fā)酵紅薯渣產(chǎn)四環(huán)素[8]、微生物蛋白飼料[9]、檸檬酸[10]、乳酸[11]、氫和乙醇[12]等。有些產(chǎn)品已經(jīng)形成完整的發(fā)酵體系，被應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中。

本文討論了紅薯渣與其他塊莖類農(nóng)產(chǎn)品副產(chǎn)品成分的比較以及復(fù)合菌種固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的特點(diǎn)，詳細(xì)討論了當(dāng)代微生物發(fā)酵技術(shù)在紅薯渣中的應(yīng)用，并討論了微生物發(fā)酵紅薯渣作為動物飼料存在的問題及發(fā)展前景。

1 紅薯渣成分及發(fā)酵紅薯渣的微生物

不同來源的紅薯渣成分見表2[11-16]。紅薯渣一般含有1%～15%的粗蛋白，15%～50%的淀粉，3%～18%的粗纖維，以及2%～5%的粗灰分?？梢?，紅薯渣由于加工工藝的不同，成分相差比較大。紅薯渣與其他塊莖類副產(chǎn)品的化學(xué)成分見表3。紅薯淀粉渣的水分含量高達(dá)850 g/kg,明顯高于紅薯飲料渣的746 g/kg。與其他塊莖類副產(chǎn)品相比，紅薯淀粉渣和飲料渣中的粗灰分含量均高于其他農(nóng)副產(chǎn)品。由于紅薯渣的礦物質(zhì)含量較高，因此，在進(jìn)行微生物發(fā)酵時只需添加少量的無機(jī)鹽即可。紅薯飲料渣中的粗蛋白含量為88.8 g/kg,明顯高于紅薯淀粉渣及木薯渣，略低于馬鈴薯淀粉渣、甜菜渣與菊芋渣；中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維含量均低于同類型中其他副產(chǎn)品；可溶性碳水化合物及淀粉含量卻明顯高于其他副產(chǎn)品，二者含量約為紅薯淀粉渣的5倍、馬鈴薯渣的6倍。玉米中碳水化合物含量在70%以上，粗蛋白含量一般為7%～9%，粗脂肪含量一般為3%～4%[17]，由此可見，紅薯飲料渣的成分非常接近玉米，因此，可以用紅薯飲料渣代替部分玉米作為反芻家畜的飼料使用。也可以加入一定量的氮源，通過發(fā)酵進(jìn)一步提高其蛋白含量，從而生產(chǎn)出高蛋白的飼料。

表2 紅薯渣的成分（干物質(zhì)基礎(chǔ)）[11-16]

表3 紅薯渣與其他塊莖類副產(chǎn)品化學(xué)成分(干物質(zhì)基礎(chǔ))(g/kg)

用于發(fā)酵紅薯渣的微生物包括細(xì)菌、酵母、放線菌和真菌。真菌，尤其是擔(dān)子菌是主要的用于發(fā)酵農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的菌種，它們能夠在底物表面甚至內(nèi)部很好地生長；放線菌主要用于抗生素的生產(chǎn)；酵母菌則由于自身菌體蛋白含量比較高被用于生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白，一些益生的芽孢桿菌除了分泌纖維素酶、淀粉酶也被用于廣譜的抗生素。表4列舉了近年來國內(nèi)外科研工作者用于研究發(fā)酵紅薯渣的部分微生物。

表4 利用紅薯渣進(jìn)行發(fā)酵的微生物

2 復(fù)合菌種固態(tài)發(fā)酵技術(shù)

目前，固態(tài)發(fā)酵被廣泛應(yīng)用于生物制品生產(chǎn)。與液態(tài)發(fā)酵相比，固態(tài)發(fā)酵所需能耗較低，產(chǎn)生廢水較少，對環(huán)境更友好。近年來，許多研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合菌種固態(tài)發(fā)酵比單菌種固態(tài)發(fā)酵更占優(yōu)勢，這可能是由于在發(fā)酵過程中生物體之間通過直接觸發(fā)細(xì)胞-細(xì)胞間通信或通過信號物質(zhì)傳遞到細(xì)胞表面蛋白而相互作用的結(jié)果。也可能是由于菌體定植、滲透和降解固態(tài)基質(zhì)依賴于它們所處的共同環(huán)境，在此環(huán)境下，復(fù)合菌之間可以通過特殊的酶相互作用從而協(xié)同共生[22]。目前，真菌聯(lián)合發(fā)酵主要用于生產(chǎn)木質(zhì)纖維素酶及酶系、單寧酶及沒食子酸和高蛋白及次級代謝產(chǎn)物等生物制品；細(xì)菌聯(lián)合發(fā)酵主要用于生產(chǎn)蟲害防治劑、食品發(fā)酵風(fēng)味劑；細(xì)菌、酵母及真菌聯(lián)合發(fā)酵則主要用于提高蛋白含量，生產(chǎn)高蛋白動物飼料以及生產(chǎn)乙醇和酒類飲料。

3 紅薯渣的發(fā)酵利用

3.1 有機(jī)酸類

3.1.1 生產(chǎn)乳酸（LA）

乳酸，作為主要的生物技術(shù)類產(chǎn)品有著廣泛應(yīng)用，主要用于食品、制藥、皮革、紡織等行業(yè)。2011年全球?qū)θ樗岬男枨笠堰_(dá)到2×105t[23]。乳酸可以通過化學(xué)合成的方法制取，但加工過程中會形成外消旋混合物的同分異構(gòu)體，利用廉價的原材料如乳清、糖蜜、淀粉類殘渣等發(fā)酵生產(chǎn)的乳酸避免了外消旋混合物同分異構(gòu)體的形成[24]。Pagana等[11]利用德氏乳桿菌、布氏乳桿菌和鼠李糖乳桿菌分別發(fā)酵來自紅薯罐頭加工過程中產(chǎn)生的紅薯渣用于產(chǎn)乳酸。通過對比得出鼠李糖乳桿菌是乳酸生產(chǎn)的最適菌，利用鼠李糖乳桿菌在pH=5的條件下，發(fā)酵紅薯渣72 h，乳酸產(chǎn)量可達(dá)到10 g/l。Altaf等[25]則利用解淀粉乳桿菌不經(jīng)糊化和糖化過程直接將淀粉轉(zhuǎn)化為乳酸，通過一步發(fā)酵法大大節(jié)省了人力和物力。

3.1.2 生產(chǎn)檸檬酸

檸檬酸，作為三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物，由于被廣泛應(yīng)用于食品、藥制品及其他領(lǐng)域而成為最具有商業(yè)價值的產(chǎn)品之一[26]。尤其是在食品行業(yè)中檸檬酸可作為飲料的風(fēng)味添加劑和保藏劑而很受歡迎。Bin?dumole[10]利用黑曲霉（MTCC 282）發(fā)酵紅薯渣水解物生產(chǎn)檸檬酸取得了良好成果。發(fā)酵紅薯渣得到的檸檬酸含量為6.8 mg/ml，而檸檬酸在pH=4.5、初始糖含量14%的條件下產(chǎn)量最高，并在一定范圍內(nèi)，隨著氮源含量的增加，檸檬酸的含量也隨之增加。中國、日本和越南現(xiàn)在均采取發(fā)酵紅薯渣生產(chǎn)檸檬酸，發(fā)酵過程基本上都采用將殘留淀粉糖化后再使用黑曲霉等霉菌進(jìn)行發(fā)酵[27]。

3.2 生產(chǎn)酶制劑

根莖類作物由于富含淀粉且價格低廉一直是酶制劑生產(chǎn)的良好基質(zhì)[28]。能夠分解淀粉的真菌通常被用于固態(tài)發(fā)酵紅薯渣生產(chǎn)酶，例如曲霉、根霉和毛霉等[29]。Yang等[30]用鏈霉菌發(fā)酵紅薯渣和花生粕生產(chǎn)蛋白酶和淀粉酶，同時采用液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵兩種方式。結(jié)果表明，兩種發(fā)酵方式得到的酶主要是α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和支鏈淀粉酶，α-淀粉酶的活性較高。經(jīng)過液態(tài)發(fā)酵24 h后，每克淀粉產(chǎn)生的α-淀粉酶活力為（680±60）U，葡萄糖淀粉酶活力為（65±5）U，支鏈淀粉酶活力為（20±2）U，經(jīng)過96 h固態(tài)發(fā)酵后測得α-淀粉酶活力為（1 903±268）U，葡萄糖淀粉酶活力為（227±40）U，支鏈淀粉酶活力為（85±6）U。兩種發(fā)酵方式產(chǎn)淀粉酶的最優(yōu)pH值均為5.0～6.0，液態(tài)發(fā)酵條件下高于9.1或低于2.6均難以檢測到酶活，而在固態(tài)發(fā)酵條件下在pH=9.1和pH=2.6條件下依然能夠檢測到酶活。因此，利用固態(tài)發(fā)酵淀粉類副產(chǎn)品比液態(tài)發(fā)酵更方便且更具優(yōu)勢。

3.3 生產(chǎn)微生物蛋白飼料

Abu等[31]分別利用黑曲霉、米曲霉和糙皮側(cè)耳三種真菌發(fā)酵紅薯，并每隔相同時間測定脂肪、脂肪酸和蛋白含量。結(jié)果表明，經(jīng)發(fā)酵后蛋白含量明顯增高，其中黑曲霉發(fā)酵效果最好，其次是米曲霉，糙皮側(cè)耳效果最差。Aziz等[9]將紅薯渣用0.5 mol/l的鹽酸水解后經(jīng)γ射線照射處理，然后分別接種串珠鐮刀菌和釀酒酵母以及它們的混合菌進(jìn)行液態(tài)深層發(fā)酵。發(fā)酵3 d后，生物量和蛋白質(zhì)含量均達(dá)到最大值，分別為13.96 g/l和65.8%。Yang[14,32]研究了單獨(dú)使用解淀粉酵母菌及混合使用解淀粉的霉菌對紅薯渣發(fā)酵產(chǎn)蛋白的影響。結(jié)果表明，使用酵母菌發(fā)酵2～3 d后粗蛋白含量為16.11%～20.82%，而復(fù)合霉菌發(fā)酵紅薯渣后粗蛋白含量達(dá)到32%。

Zhao H等[33]研究了多種微生物對紅薯渣固態(tài)發(fā)酵的影響，通過復(fù)合菌種發(fā)酵，以干物質(zhì)為基礎(chǔ)，使其粗蛋白質(zhì)含量從6.37%提高到9.75%；粗脂肪含量從2.71%提高到4.92%；發(fā)酵后還原糖含量達(dá)到8.22%。歐榮娣等[34]則通過固態(tài)發(fā)酵紅薯渣條件的優(yōu)化使得產(chǎn)物粗蛋白含量達(dá)到12.35%。王淑軍等[35]向紅薯渣中添加少量的麩皮和尿素作為氮源，用微生物進(jìn)行多菌種發(fā)酵后，粗蛋白質(zhì)含量提高到42.4%。趙啟美等[36]采用固液結(jié)合的方法，發(fā)酵甘薯渣后，粗蛋白質(zhì)含量提高了58.4%；粗纖維含量由25.3%下降到14.2%。

3.4 生產(chǎn)青貯飼料

由于紅薯及紅薯渣中的淀粉難以被消化利用且蛋白含量低，并且含有的胰蛋白酶抑制因子更是阻礙了蛋白的吸收，使得直接飼喂畜禽營養(yǎng)價值不高[37]。為了解決這些問題，傳統(tǒng)的方式是將紅薯或紅薯渣蒸煮后再飼喂，但費(fèi)力又消耗熱能。雖然可以通過發(fā)酵的方式提高蛋白含量，但紅薯及紅薯渣非常不易保存，因此，可以在進(jìn)行發(fā)酵前將大量的紅薯渣青貯保藏起來。Peters等[37]將紅薯及紅薯渣與米糠、木薯葉粉及雞糞等進(jìn)行混合青貯，不僅降低了胰蛋白酶的抑制作用，而且能夠貯藏長達(dá)5個月。鄭明利等[13]研究了不同乳酸菌接種劑對紅薯飲料渣青貯品質(zhì)的影響。得出添加乳酸菌接種劑能進(jìn)一步提高紅薯飲料渣的青貯品質(zhì)，并且乳酸菌接種劑中乳酸菌種類多樣性越豐富效果越明顯的結(jié)論。

3.5 生產(chǎn)氫和乙醇

當(dāng)今世界面臨著能源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力，尋求新的可再生潔凈能源已成為能源開發(fā)的熱點(diǎn)。Yokoi等[38]利用丁酸梭菌和腸桿菌混合發(fā)酵紅薯淀粉渣產(chǎn)氫，在pH=5.25的條件下得到氫產(chǎn)率為2.4 molH2/mol葡萄糖，在含有丁酸梭菌和腸桿菌的上清液中加入50 mg/l Na2MoO4·2H2O和20 mg/l EDTA，調(diào)節(jié)pH值為7.5。然后用Rhodobacter sp.M-19進(jìn)一步發(fā)酵，使得氫產(chǎn)率達(dá)到7 molH2/mol葡萄糖。Lay等[12，39]利用內(nèi)源微生物、牛糞和污水污泥作為種子菌種在37℃條件下發(fā)酵紅薯產(chǎn)氫和乙醇。研究表明，在不加入牛糞和污水污泥條件下，紅薯均能在內(nèi)源微生物的發(fā)酵作用下產(chǎn)氫，所用內(nèi)源微生物包括Klebsi?ella oxytoca，Clostridium f i metarium，Grimontella sene?galensis和Enterobacter asburiae(或Escherichia coli)這五種菌出現(xiàn)在乙醇的峰值。另外兩種菌Ruminococ?cus schinkii和Lactovum則出現(xiàn)在氫的峰值處。但加入牛糞和污水污泥后，氫和乙醇的產(chǎn)量均有進(jìn)一步的提高。

3.6 其他生物制品

基于紅薯渣發(fā)酵的其他生物制品包括發(fā)酵紅薯淀粉渣產(chǎn)四環(huán)素等抗生素類藥品[8]、產(chǎn)膳食纖維[40]、制備低聚糖[41]和寡糖[42]以及發(fā)酵產(chǎn)紅醋[43]等。

4 當(dāng)前利用微生物發(fā)酵紅薯渣存在的問題

①紅薯渣水分含量高，單位重量大，從而在發(fā)酵過程中攪拌困難，造成水分含量不均，發(fā)酵品質(zhì)參差不齊；另外，現(xiàn)在市場上存在多種發(fā)酵紅薯渣的菌制劑，不同的微生物發(fā)酵產(chǎn)生眾多代謝物質(zhì)，也使得發(fā)酵紅薯渣飼料品質(zhì)難以保障。因此，建立完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測標(biāo)準(zhǔn)非常重要。②菌種不易保存，有的菌種極易退化；有些微生物在發(fā)酵過程中會發(fā)生變異成為病原微生物，使得發(fā)酵紅薯渣存在安全隱患；針對這些問題，相關(guān)企業(yè)應(yīng)該和高校及研究院所緊密結(jié)合，從而篩選并馴化出性能良好且穩(wěn)定的微生物。③規(guī)模化生產(chǎn)難以實(shí)行，微生物發(fā)酵要求的條件比較嚴(yán)格，在發(fā)酵前及發(fā)酵過程中難以做到嚴(yán)格滅菌而造成雜菌污染，發(fā)酵失敗，這也是目前微生物發(fā)酵紅薯渣尚處在試驗(yàn)階段，在中試及規(guī)?；a(chǎn)中難以實(shí)行的主要問題。

5 結(jié)論及展望

現(xiàn)代社會中，隨著消費(fèi)水平的增長以及健康意識的提高，具有高附加值的紅薯產(chǎn)品必將日益受到消費(fèi)者的青睞。在加工過程中產(chǎn)生的大量紅薯渣，由于含水量高，容易霉變，而且運(yùn)輸成本過高等因素，是其進(jìn)一步加工和利用的瓶頸。將紅薯渣通過生物技術(shù)轉(zhuǎn)化為生物制品或者轉(zhuǎn)化為生物乙醇等能源類物質(zhì)是解決該問題的有效方法之一。另外，經(jīng)過微生物發(fā)酵將紅薯渣制成發(fā)酵飼料也是一條有效的解決途徑。近些年來，我國紅薯產(chǎn)量保持穩(wěn)定增長，單按照紅薯產(chǎn)量的5%用于加工紅薯飲料計算，每年產(chǎn)生的紅薯渣就超過250萬噸，若將這些紅薯渣制成蛋白飼料，其價值相當(dāng)于100萬噸的豆粕。因此，該方法的實(shí)施，對于緩解飼料糧對我國糧食安全的壓力，降低環(huán)境污染均具有重要意義。且發(fā)酵后的紅薯渣水分含量變低，從而只需少量的熱能烘干或嚴(yán)格密封，壓緊壓實(shí)，不僅能夠節(jié)約能源而且延長了紅薯渣的保存時間，雖然上述利用微生物發(fā)酵紅薯渣還存在很多問題，但我堅信，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及我國市場經(jīng)濟(jì)的完善，以上問題都能得到較好的解決。